Комплексные системы управления инженерными коммуникациями жилища, известные под названием «Умный дом» набирают всё большую популярность. Широкому внедрению этих систем препятствует достаточно высокая стоимость комплектующих элементов и монтажных работ. Умный дом на базе Arduino представляет собой решение вполне доступное для всех, кто хоть немного разбирается в электронике.
Что такое Arduino
Ардуино – это бренд, под которым выпускаются аппаратные и программные средства для самостоятельного построения систем автоматики и телеуправления.
По сути это модульный конструктор, обладающий широкими возможностями. Аппаратные средства Ардуино представляют собой большой ассортимент печатных плат, на которых организованы различные датчики, исполнительные устройства и платы расширения. Ядром системы являются платы с программируемыми микроконтроллерами разного уровня сложности от Arduino Pro Mini до Arduino Mega. Платы расширения позволяют использовать большое количество внешних устройств.
На небольшой печатной плате установлен микроконтроллер, немного дискретных элементов, кварц и различные виды разъёмов, в том числе и вертикальные штыри, с помощью которых собираются конструкции-этажерки с добавлением плат расширения. В качестве микроконтроллеров используются чипы семейства Atmega. Тип контроллера определяет функциональные возможности платы, зависящие от количества входов и выходов.
Так широко распространённый модуль Arduino Uno с микроконтроллером Atmega 328 имеет следующие характеристики:
- Цифровые входы/выходы – 14
- Из них 6 – ШИМ
- Аналоговые входы – 6
- Память – 32 Кб
- Питание – 7-12 В
- Цена – 950 рублей
Цифровые контакты можно запрограммировать на выполнение конкретной функции. Это может быть вход или выход. Эти входы/выходы могут работать с устройствами, для функционирования которых достаточно двух уровней. Это логическая единица или уровень близкий к напряжению питания и логический низкий уровень соответствующий нулю. На цифровые входы можно подключать двухуровневые датчики. К ним относится пара магнит-геркон. Этот датчик реагирует на открывание дверей и окон. По такому принципу работают многие датчики охранной и пожарной сигнализации.
Цифровые выходы могут управлять работой электромагнитных реле, которые в свою очередь включают и выключают сетевые розетки, к которым подключены различные бытовые приборы. Умный от Arduino обойдётся значительно дешевле, чем готовый промышленный комплект.
Аналоговые входы через аналогово-цифровые преобразователи передают на контроллер информацию о состоянии датчиков температуры, освещённости и некоторых других приборов. Сравнивая показания датчиков с командами, хранящимися в памяти, центральный блок системы может управлять устройствами, где требуется плавное изменение мощности. Шесть выходов, связанных с широтно-импульсным модулятором позволяют плавно управлять мощностью нагрузки. Например, регулировать яркость светильника, регулировать температуру обогревателя или управлять частотой вращения электродвигателя.
Самой мощной и многофункциональной платой
этой линейки является Arduino Mega. На печатной плате смонтирован контроллер
AT
mega
2560
, дискретные элементы, порт USBконнектор для подключения питания. Плата имеет 54 универсальных контакта, которые можно запрограммировать на выполнение функций входа/выхода. 14 из них могут управлять аналоговыми устройствами при помощи широтно-импульсной модуляции. 16 аналоговых входов предназначены для подключения любых аналоговых приборов.
Плата контроллера Arduino Mega стоит в пределах 1 500 рублей. Программировать его проще всего с помощью персонального компьютера через USB-порт.
Периферийные модули для Ардуино
Плата контроллера является ядром системы, но подключать к ней какие либо устройства нельзя. Выходы имеют небольшую нагрузочную способность и ограниченный ток. Для организации системы управления бытовой техникой потребуются внешние силовые модули, устройства связи и другие устройства. Это не является проблемой, поскольку для контроллеров Arduino разработано большое количество периферийных модулей.
Вот только некоторые из них:
- Газоанализатор – MQ-2
- Датчик освещённости – 2CH-Light-2
- Датчик температуры внешний – DS18B20-PL
- Датчик температуры и влажности комнатный – DHT-11
- Драйверы электродвигателя – L298N, L9110
- Релейные модули – 1ch5V, 4ch5V
- Модуль дистанционного управления IC2262/2272
Датчик, определяющий утечку газа в помещении, реагирует на пропан и бутан, которые являются составляющими бытового газа. Модуль имеет регулировку чувствительности и аналоговый/цифровой выходы. Датчик освещённости может являться частью автоматизированной системы управления светом. Он состоит из двух независимых каналов с индивидуальной регулировкой чувствительности. Уличный термодатчик предназначен для работы при температуре от – 55 до +125 градусов. Комнатный датчик температуры и влажности предназначен . Диапазон изменения температуры от 0 до +55 0 С и влажности от 20 до 90%.
Поскольку питающее напряжение модулей Ардуино лежит в диапазоне от 7 до 12 вольт, то для организации охранной или пожарной сигнализации можно использовать любые стандартные датчики, которые имеют такие же рабочие уровни.
Драйверы электродвигателей позволяют управлять однофазными, двухфазными, четырёхфазными и шаговыми двигателями. С помощью таких устройств можно открывать и закрывать жалюзи или шторы. Подключенные к драйверам сервоприводы позволяют регулировать поток теплоносителя в радиаторах отопления. Незаменимыми в системе «Умный дом» являются релейные ключи. Управляемые потенциалом логической единицы +5 вольт, реле допускают коммутацию нагрузок в цепях переменного тока до 10 ампер при напряжении до 250 вольт.
С их помощью можно включать и выключать электрические розетки, электронасосы и другие системы.
Модуль дистанционного управления состоит из пульта и приёмного устройства. Пульт оборудован четырьмя кнопками и обеспечивает передачу команд на приёмный блок на расстоянии до 100 метров. Все периферийные модули имеют одинаковое питающее напряжение и совместимы с любыми микроконтроллерами Arduino.
Организация системы «Умный дом»
Без определённых навыков, знания принципиальных схем и основ электроники за систему «Умный дом» в полном объёме лучше не браться.
Программирование микроконтроллеров линейки Ардуино осуществляется на языке С/С++.
Для начала можно написать простейшие программы, которые могут включать и выключать светодиод или управлять работой микроэлектродвигателя. Примеров таких программ очень много. В них используются простые операторы вида: если, пока, то и другие. Они позволяют писать программы даже школьникам. Когда первые программы будут правильно выполняться можно попробовать собрать более сложные устройства, где будут задействованы ШИМ выходы для плавного управления светом.
Для того чтобы сделать «Умный дом» на Ардуино своими руками необходимо составить технический проект, где будет указано количество датчиков и исполнительных устройств для каждого помещения. Можно начать с одной комнаты, где будут реализованы несколько простых функций. Некоторые из них будут выполняться по сигналам от внешних датчиков, а некоторые по сигналам таймера. Когда утром человек встаёт на работу контроллер Ардуино, по сигналу таймера включит электрический чайник или кофеварку. Если на улице темно, что зафиксирует наружный датчик, в комнате плавно загорится светильник. Комфортную температуру в помещении так же можно задать как для сна, так и для просыпания.
Для небольшого числа функций подойдёт микроконтроллер Arduino Uno и набор периферийных модулей.
Для управления бытовыми приборами потребуются релейные ключи, которые будут включать и выключать электрические розетки. Для управления светом потребуется детектор движения. Если умная система монтируется на кухне необходимо предусмотреть автоматическое включение вытяжки, датчик утечки бытового газа и датчик протечки воды. Как элемент пожарной сигнализации в помещении должен быть установлен дымовой датчик.
Заключение
Контроллер Ардуино позволит выполнить проект умный дом и уложиться в сравнительно небольшую сумму. Если подсчитать все расходы на оборудование трёхкомнатной квартиры, то сумма вряд ли превысит 30-40 тысяч рублей. Если сократить число функций, бюджет окажется ещё более скромным.
Если коротко описать принцип действия Ардуино, то все очень просто. Например, при реализации проекта «Умный дом», это устройство работает следующим образом. По всему дому в определенных местах расставлены датчики, которые реагируют на внешнюю обстановку, и передают информацию на микропроцессор, который принимает решение.
Микропроцессор может быть соединен с компьютером, планшетом, ноутбуком, или смартфоном. Программы для ардуино можно легко скачать в интернете. Все комплектующие, разъемы производители выполняют стандартными, для любых подключений. Рассмотрим подробнее, как можно реализовать «Умный дом».
Проектирование «Умного дома»
Техника с каждым годом все глубже проникает в нашу жизнь. Без электроники уже невозможно представить повседневную жизнь, так как техника делает ее намного интереснее и проще.
Любой человек, который имеет хотя бы основные знания электротехники, может самостоятельно изготовить какое-либо полезное для дома устройство. Если в вашей квартире или доме установлены специальные считывающие информацию датчики, которые еще и выполняют различные функции, то это и есть «умный дом».
На практике не все так красиво и волшебно, как в фантастических фильмах, где роботы готовят утренние завтраки, стирают белье и делают в доме уборку. Реальные компьютеры еще далеки от подобного уровня развития.
Датчики «умного дома» всего лишь могут выполнять следующие функции:
- Автоматическое управление бытовыми устройствами. Система сама подключает и отключает чайник, телевизор, микроволновку и другие устройства.
- Обеспечивать пожарную безопасность. Система подает сигнал хозяину о возникновении возгорания, наличия дыма в помещении. В более сложных системах включается не только сигнализация, но и автоматически вызывается пожарная охрана и другие необходимые службы.
- Контроль погоды. Система контролирует и подает сигнал об изменениях погодных условий на улице. Это помогает человеку правильно планировать свой день.
- Контроль климатических условий в помещении. Устройство работает совместно с приборами отопления, вентиляции и другими климатическими устройствами. Ее принцип действия заключается в автоматическом увеличении или уменьшении температуры, влажности и т.д., в зависимости от настройки программы.
- Контроль проникновения на территорию жилого помещения. Система взаимосвязана с датчиками движения, и способна автоматически запирать дверные замки, определять точное число людей, находящихся в помещении.
- Контроль потребления электрической энергии путем автоматического подключения и отключения приборов освещения. В более сложных вариантах систем, осуществляется отключение освещения как с пульта управления, так и автоматическое полное отключение света, при отсутствии хозяина дома.
Квалифицированных специалистов, занимающихся обустройством таких умных домов, не так уж и много. Их услуги стоят немалых денег. Однако эту работу вполне можно выполнить самостоятельно. Вся система состоит из датчиков и контроллеров. Например, для контроля температуры в комнате, установлен датчик, который реагирует на понижение температуры ниже запрограммированного уровня. В этом случае микропроцессор автоматически включает нагревательные устройства. Аналогичные датчики располагают по всему дому, которые выполняют различные функции.
Система контроля достаточно надежна, и редко выходит из строя. В нее заложен открытый программный код, имеется возможность соединения с компьютером. В заводских настройках в микропроцессор заложено несколько стандартных программ. Однако, код этих программ можно легко изменять, и даже заменять на свои собственные проекты.
Работа системы ардуино
Датчики передают информацию на компьютер по беспроводной связи. Эти данные обрабатываются с помощью специальной программы. Далее, подается команда на исполнение определенных действий. Центральную плату можно приобрести или собрать самостоятельно. Все разъемы на плате являются стандартизованными, что облегчает сборку системы.
Необходимые комплектующие
Для самостоятельной сборки потребуются следующие и комплектующие:
- Отвертки.
- Пассатижи.
- Резисторы.
- Реле.
- Датчики.
- Модуль связи.
- Ардуино UNO.
Наборы для аналогичных систем лучше покупать в сертифицированных магазинах, так как использование поддельных элементов очень опасно. Необходимые программы для настройки системы без труда можно найти в интернете.
Датчики необходимо приобрести такие, которые будут соответствовать контролируемым ими параметрам.
Особенности установки ардуино
В системе умного дома целесообразно использовать только энергосберегающие лампы, лучше всего светодиодные. Применение обычных ламп не допускается, так как устройство не рассчитано на такую нагрузку.
После подготовки проекта и приобретения всех комплектующих, можно начинать подключение всех элементов в систему. Все подключения выполняются строго по схеме. Все контакты и соединения необходимо изолировать.
- Инсталляция кода программы.
- Настройка программы для применяемого планшета или компьютера.
- Настройка портов на модуле связи.
- Проверка работоспособности.
- Корректировка кода программы (при необходимости).
Для используемого вами гаджета в интернете скачивают специальную программу, которую затем устанавливают. Скачивать рекомендуется из официальных источников, во избежание сбоев в работе программы. После установки программы компьютер или планшет перезагружают.
Программа должна показывать информацию с датчиков, расположенных в разных помещениях. При необходимости настройки программы можно изменять.
Настройка роутера
На модуле связи (роутере) необходимо открыть порт. Это делается следующим образом:
- Открыть свойства роутера.
- Указать IP-адрес устройства.
- Открыть 80 порт.
- На новый адрес присвоить доменное имя.
- Произвести тестирование работы всей системы.
Для подобных проектов нецелесообразно применять открытый тип IP-адреса, так как такую систему могут взломать хакеры через интернет, и нарушить функционирование системы.
Такие системы «умных домов» способны значительно экономить электрическую энергию. Основным этапом является правильный выбор сертифицированных комплектующих, в противном случае нет гарантии качественной работы системы. Для ардуино существует большое множество готовых программных кодов. Это позволяет легко самостоятельно собрать такую систему.
Умный дом представляет собой специальную систему, которая автоматизирует многие процессы в доме. Например, можно управлять системами отопления, включения освещения в определенные моменты времени, слежение за обстановкой, выполнять контроль состояния инженерных коммуникаций и прочее.
На потребительском рынке предлагается много систем подобного рода, которые имеют широкий набор функций и поддерживают работу с разными и исполнительными приспособлениями. Правда, есть еще возможность самостоятельно создать умный дом своими руками на базе Arduino.
Принцип работы умного дома на базе Ардуино
Система на платформе Ардуино работает аналогично обычной заводской. Она должна включать в свой состав контроллер с процессором, который будет обрабатывать входящие сигналы, и формировать импульсы для управления внешними устройствами.
Схема управления светом с помощью «Умного дома»
В качестве устройств, генерирующих входные сигналы, выступают разного рода датчики, которые контролируют те или иные параметры в помещении. После обработки этих сигналов контроллером, по установленному алгоритму, будет сформирован исполнительный сигнал, передаваемый к внешним устройствам, которые управляют включением электричества, работой отопительной системы, системой безопасности и пр.
Созданный на Arduino умный дом, управляется через Web интерфейс, что позволит удаленно контролировать работу системы с любого устройства, подключенного к интернету. Также поддерживает Arduino GSM управление с помощью обычных мобильных телефонов или смартфонов.
Какие датчики и контролеры можно подключать и как они работают
Основу умного дома на базе Ардуино составляет процессорная плата, представляющая микроконтроллер. Она владеет процессором, который с помощью созданного программного обеспечения обрабатывает данные от датчиков и управляет работой исполнительных устройств.
Чтобы к контроллеру можно было подключить разные функциональные датчики, используются шилды – платы расширения, которые подключают к процессорному модулю, а уже к шилдам подсоединяют требуемое число датчиков. Система из контроллера, расширительных плат и датчиков может функционировать как автономно, так и работать в связке с компьютером посредством проводной или беспроводной связи.
Датчики и компоненты «Умного дома» на базе Arduino
Через шилды к контроллеру можно подключить разные по функциональности датчики.
- Сенсоры, которые контролирую параметры и характеристики окружающей среды внутри или вне помещения. Это могут быть , влажности, давления, уровня освещенности наличия осадков.
- Сенсоры, которые контролируют пространственную ориентацию объекта, к которому они прикреплены. К ним относятся гироскопы, компасы, акселерометры.
- Сенсоры, которые регистрируют наличие подвижных объектов. К ним относятся датчики движения, тепловые датчики УЗ-сенсоры.
- Сенсоры контроля аварийных ситуаций. К ним относятся устройства, которые позволяют контролировать целостность инженерных коммуникаций в доме. Датчики выявляют утечку газа, отключения электричества, .
Многие из этих устройств входят в набор Ардуино умный дом, предлагаемый производителями для тех, кто собрался самостоятельно автоматизировать свой дом.
Процесс сборки умного дома
Создание умного дома на базе Arduino чем-то напоминает работу с конструктором Лего. Оно предусматривает подключение нужных датчиков к микропроцессорному контроллеру, программирование созданной системы и подключение ее к средствам управления через глобальную сеть интернет. Рассмотрим более детально каждый из этих процессов.
Подключение всей периферии
Процесс подключения всех модулей и датчиков Arduino очень простой и с ним разберется даже тот человек, который слабо знаком с электроникой. Он представляет собой последовательное подключение к центральному контроллеру датчиков и исполнительных устройств, используя для этого расширительные платы и соединительные проводники.
Прикрепление датчика движения «Умного дома»
Чтобы не запутаться в процессе подключения, нужно предварительно составить детальную схему будущей системы и предусмотреть места, где будет размещен в доме контроллер, функциональные датчики и исполнительные устройства. Наличие такого плана исключит ошибки в подключении и некорректной работы умного дома.
Программирование и отладка
Чтобы умный дом на Ардуино своими руками запрограммировать, нужно знать язык программирования С++ или использовать специальную оболочку Arduino IDE. Первый вариант подходит для продвинутых пользователей, которые знают и могут программировать на этом языке. Второй вариант подойдет для тех, кто только делает первые шаги в программировании алгоритмов для устройств, созданных на платформе Ардуино.
Оболочка Arduino IDE представляет собой упрощенную версию С++. Она имеет встроенный текстовый редактор, менеджер проектов, предпроцессор, компилятор и инструменты, нужные для того, чтобы залить программный код в микропроцессор платы Arduino.
Версии Arduino IDE доступны пользователям для разных операционных систем. Это могут быть Windows, Mac OS X или Linux.
После того, как созданный код залит в микропроцессор можно выполнить отладку системы и проверить насколько эффективно работает взаимодействие между датчиками, контроллером и исполнительными устройствами.
Чтобы система умный дом всегда была под контролем, существуют разные приложения, которые можно установить на свой смартфон. Например, можно закачать и настроить приложение SmartHome.apk. С его помощью можно в любое время получать данные от контроллера умного дома, а также выполнять управление его функциями.
Использование этого приложения позволит контролировать состояние охранной сигнализации, получать от нее уведомления о срабатывании. Настроив частоту опроса датчиков движения, информацию о текущем состоянии помещения можно получать в режиме реального времени.
Сопряжение с интернетом
Умный дом, созданный своими руками на Arduino, может настраиваться и контролироваться через интернет. Для этого сначала следует настроить роутер, который обеспечивает раздачу интернета в доме.
Изначально нужно зайти в раздел настроек роутера и прописать в нем IP-адрес для системы Arduino. Затем выполняется открывание порта 80.
Если есть необходимость в том, чтобы присвоить доменное имя адресу системы умный дом, можно воспользоваться возможностями сервиса https://www.noip.com. После регистрации на этой платформе следует воспользоваться функцией «Add host» и прописать там IP-адрес созданной системы умного дома. После этого доступ можно будет получать, как по IP-адресу, так и по доменному имени.
Схема подключения «Умного дома» на базе Arduino к интернету
Чтобы управлять развернутым на Arduino умным домом можно было с любого места, где есть интернет нужно провести несложную настройку используемого браузера. Для этого в его адресной строке следует набрать следующий код «xxx.xxx.xxx.xxx/all».
Здесь под xxx.xxx.xxx.xxx подразумевают IP-адрес, используемый системой умный дом. После этой процедуры пользователь будет иметь возможность получать информацию от созданной системы автоматизации дома, а также задавать параметры ее работы.
Заключение
На сегодня существует много готовых Ардуино проектов умный дом, которые можно найти в сети интернет. Также можно создать свой собственный проект, который будет максимально подходить под конкретный объект. Системы, построенные на Ардуино, отличаются тем преимуществом, что их всегда можно модернизировать и масштабировать.
Например, можно начать с управления освещением Ардуино, а затем добавлять функциональные датчики, которые будут контролировать движение в помещении, следить за утечкой воды, газа. Чтобы упростить процедуру создания автоматизированной системы в интернет-магазинах можно найти много готовых наборов умный дом Arduino. Они обеспечивают создание базовой конфигурации системы, которую позже можно усовершенствовать под свои требования.
Видео: Умный дом на Arduino
То, что получилось в итоге, можно назвать, пожалуй, самым дешевым решением для создания Умного дома, которое, тем не менее, умеет:
- Управлять освещением и силовыми устройствами(Реле, диммеры DMX-512 и Modbus RTU)
- Управлять теплыми полами (в качестве термодатчиков используются полтора десятка дешевых DS18B20, разведенных по квартире)
- Управлять задвижками вентиляции/кондиционера
- Управлять самодельной системой приточной вентиляции.
- Многое такого, о чем я изначально не задумывался, просто в силу того, что контроллер получился абсолютно открытым, гибко конфигурируемым, и прекрасно дополняющим Опенсорсные решения Openhab+Mosquitto+NodeRed
Serial CLI при создании нового контроллера надо прописать в NVRAM уникальный MAC адрес. Именно MAC является ключом, по которому изначально загружается конфигурация c http сервера.
В качестве управляющего ПО я взял Openhab 2, имеющий весь нужный мне функционал, плюс, мобильное приложение, плюс «Облако» - роль которого, правда, только в том, чтобы предоставлять доступ к домашней инфраструктуре извне, не прокидывая портов на роутере и не обладая фиксированным IP. Также, Openhab имеет интеграцию с HomeKit от Apple, что позволяет управлять устройствами дома с iPhone, вообще без установки аппликации. (Возможность интересная, но пользуюсь, в основном, «родным» приложением).
Немного скриншотов Openhab
Наличие в проекте квартиры большого кол-ва светодиодного освещения, также, требовало какого-то разумного управления.
Подробности по LED освещению
Решения, обнаруженные на рынке были либо закрытыми «вещами в себе», либо стоили неадекватных денег, поддерживая при этом немного каналов. Часто, производители ограничивались тремя каналами (RGB), хотя, вариант RGBW позволяет использовать светодионые ленты в качестве основного освещения, а не просто для цветовой подсветки.
Подумав, я заказал на АliExpress пару плат , каждая из которых может управлять 30-ю каналами LED с номинальным током до 2А на канал.
Для того, чтобы увеличить максимальную мощность одного канала, я перешел со светодиодных лент на 12В на 24В ленты. При этом, полноценно осветить комнату около 16-18 кв. м оказалось возможным при помощи 4-х ключей. БОльшие по площади помещения пришлось зонировать - в гостиной подключил независимо 4 ленты по 5 м, задействовав при это 16 каналов.
Для синхронного управления всей комнатой, пришлось придумать тип канала «группа»
Вот как выглядит описание гостиной в JSON конфиге:
"kuh":],
"kuhwin":,
"kuhline":,
"kuhfre":,
"kuhwork":,
Первый элемент массива - тип канала, второй - параметр канала, который может являться массивом.
Для элемента типа 7 (группа) - аргументом является массив элементов, входящих в группу.
Рекурсия, конечно же, поддерживается.
Для элемента типа 1 (лента RGBW) - аргумент - базовый DMX адрес канала.
Со стандартной библиотекой EasyDMX платы не заработали сразу. Как оказалось, китайский LED контроллер не переваривал 2ms задержку между фреймами DMX (interframe delay). Несложная модификация кода библиотеки (сокращение цикла в два раза) помогла.
Подробности по кондиционированию
К сожалению, не удалось найти приводов воздушных заслонок с ШИМ или каким-то цифровым входом, поэтому на том же AliExpress были приобретены 4 преобразователя ШИМ в стандартный аналоговый сигнал 0..10В.
К сожалению, на Aliexpress этих устройств уже не вижу, но на e-bay - пожалуйста
Преобразователи великолепно заработали сразу, пришлось только перепрограммировать таймер ШИМ выходов для того, чтобы задать подходящую частоту.
Ниже пример перепрограммирования таймеров 3 и 4 (отвечают за pin-ы 2, 3, 5, 6, 7, 8 Arduino Mega на частоту 4000Гц).
PinMode(iaddr,OUTPUT);
//timer 0 for pin 13 and 4
//timer 1 for pin 12 and 11
//timer 2 for pin 10 and 9
//timer 3 for pin 5 and 3 and 2
//timer 4 for pin 8 and 7 and 6
int tval = 7; // 111 in binary - used as an eraser
TCCR4B &= ~tval; // set the three bits in TCCR2B to 0
TCCR3B &= ~tval;
tval=2; //prescaler = 2 ---> PWM frequency is 4000 Hz
TCCR4B|=tval;
TCCR3B|=tval;
analogWrite(iaddr,k=map(Value,0,100,0,255));
Далее, я начал искать WiFi контроллеры теплых полов. Нашел, в целом, неплохое устройство стоимостью около 6 тыс руб от Теплолюкс, но оно имело некоторые существенные для меня недостатки.
Несмотря на наличие мобильного приложения, протокол управления был закрыт. Я провел некоторый реверс-инженеринг, который показал, что, теоретически, протокол можно расшифровать. Возможно, я бы этим и занялся, но обнаружил, что без переустановки подразетников сие устройство не устанавливается в один ряд с выключателями. Это определило судьбу устройства: продав его, я реализовал функционал простого термостата на своем контроллере, сэкономив почти 30 тыс руб на 5-ти теплых полах.
Получилось следующее:
- Все управление - локально на контроллере и независимо от домашней ИТ инфраструктуры
- Используются измерения с 1-wire термодатчиков. Если датчик долгое время не может быть опрошен - нагреватель отключается.
- Через MQTT можно включить/выключить теплый пол и задать его температуру. Соответственно, полы управляемы через интерфейсы и мобильное приложение Openhab
- Я не стал реализовывать хитрые сценарии и расписания на контроллере. При желании, это легко реализуется правилами Openhab или Node-Red. Я ограничился только отключением устройств, когда люди покидают дом.
"ow":{
"2807FFD503000036":{"emit":"t_bath1","item":"h_bath1"}
},
"items":{
"h_bath1":,
},
Данные при опросе термометра OneWire с указанным адресом передаются на шину MQTT в топик t_bath1, а также, внутри контроллера, объекту h_bath, имеющему тип №5 (термостат), реле подключено к pin#24 контроллера, уставка - 33 градуса (можно корректировать по MQTT)
Входы устройства
В конфиге для каждого входа можно задать как передачу команды локальному объекту так и выдачу команды в MQTT топик. Причем, отдельно как на условное «нажатие» кнопки так и на «отпускание».
Примеры:
"in":{
"41":{"emit":"/myhome/in/all","scmd":"HALT","rcmd":"REST"},
"38":{"item":"spots_en"},
"37":{"emit":"/myhome/in/light","scmd":"ON","rcmd":"OFF"},
"40":{"emit":"/myhome/in/gstall","scmd":"TOGGLE","rcmd":"TOGGLE"},
"35":{"emit":"/myhome/s_out/water_leak"}
}
Pin 41: Геркон на замке входной двери - при запирании - выдаем в топик /myhome/in/all команду HALT, при отпирании - команду REST.
У меня это приводит к полному «засыпанию» и «просыпанию» дома. К слову - команды не входят в стандартный набор OpenHab, но получились крайне удобны - HALT - выключает устройство, REST - восстанавливает параметры устройства до последнего значения (цвет, яркость, температура), но только для того устройства, которое было выключено командой HALT а не OFF. Это позволяет не включать то, что было выключено на момент покидания дома.
Pin 38: Просто обычный выключатель света. При замыкании - выдает (по умолчанию) команду ON, при размыкании - команду OFF. Эти значения передаются объекту «spots_en». Понятно, что состояние обьекта можно изменить с мобильного приложения. В этом случае, выключатель, как бы, остается, например, во включенном положении, но свет выключен.
Для любителей классических проходных выключателей, подойдет синтаксис Pin 40: И при включении и при выключении выдается команда TOGGLE (тоже, кстати, новая, относительно OpenHab), меняющая положение Вкл-Выкл устройства (в данном примере, лампа управляется не локально, а через MQTT другим контроллером).
Если это не перекидной выключатель а кнопка - достаточно просто скорректировать «rcmd»:"" - при этом команда на переключение будет выдаваться только при нажатии.
А, ну и почти забыл описать DMX-IN - вход, ради которого, можно сказать, я и начинал эту разработку.
На рынке масса удачных с дизайнерской точки зрения и, в целом, эргономичных DMX контроллеров светодиодных лент.
Один из таких (сенсорную панель) я и купил в самом начале для экспериментов с DMX. Все хорошо, но архитектура DMX не предусматривает никакого управления из более чем одного места. Существует один Мастер, который постоянно транслирует в шину яркости каналов. Но в этом проекте данная проблема решена. Контроллер LightHub отслеживает изменения каналов DMX на входе, подключенном к сенсорной панели. Если они изменяются - транслирует изменения на выход (с маппингом на сконфигурированные устройства, в том числе, на группы светодиодных лент).
Пока ничего не меняется - устройства нормально управляются удаленно. Стоит сенсорной панели поменять значения яркости каналов - эти изменения транслируются на DMX выходы.
Как не странно, этот костыль получился вполне эргономичным. Хотя, как показал опыт, мы все реже используем сенсорную панель и все чаще смартфоны для управления устройствами.
Заключение
К сожалению, в одной статье невозможно описать все нюансы, заложенные в разработку.
Например, совсем за кадром осталась тема подключения Modbus устройств, их пуллинг и синхронизация локального состояния устройства с системой Умного Дома, интеграция с простой приточной установкой. Ну и, возможно, сравнение с существующими системами близких классов, такими, например, как MegaD-328, AMS и, даже, WirenBoard. Возможно, если будет заинтересованность - продолжу.
Также, пока за кадром то, что с использованием NodeRed удалось проинтегрировать систему с Telegram. Пока работает для получения оповещений, но можно создать полноценный Bot.
Относительно проекта LightHub - при всей дешевизне, контроллеры оказались вполне рабочим решением. Честно говоря, я сам не верил, что на основе Arduino можно создать стабильно работающую систему, но, по-моему, это удалось.
Конечно, надо многое еще доделать: полностью уйти от хардкода (осталось совсем чуть-чуть), немного и местами почистить и рефакторить код, тщательно документировать проект, развести печатную плату (сейчас интерфейсные Шилды спаяны просто на основе макетных плат и содержат три MAX-485 - (DMX-IN, DMX-OUT, Modbus) и 1-Wire мост) - и это станет, по сути, очень бюджетным готовым решением.
Warning: Напоминаю, что проект пока на уровне макетных плат. Открывая следующий спойлер, вы можете нанести урон своим эстетическим чувствам.
Немного картинок
Первый контроллер, управляющий LED (60 каналов DMX-512), Modbus (диммеры, приточка), заслонки ветиляции;
Это DMX-512 декодер, который удобно размещать там, где светодиодные ленты приходят к трансформаторам. У меня - под фальшпотолком в кладовке.
А это-второй контроллер, обслуживающий 1-wire, выключатели/датчики и релейный модуль. (Сам релейный модуль разместился прямо в распаечной коробке, где ему и место вместе с тремя фазами. Соседство 380В и слаботочки я искоренил везде, где возможно, после одного неудачного происшествия)
Понятно, что надо расширять функционал. Как минимум, в направлении беспроводных датчиков/устройств. (Хотя, например, ZWave и так сейчас можно использовать через стандартные биндинги Openhab).
Возможность подключения, например, бюджетного NooLight, вероятно, неплохая идея. Возможно, подумаю над миграцией на ESP-8266 для расширения RAM, хотя, уход на WiFi с проводного подключения к LAN мне не нравится с точки зрения надежности. Да и ESP не обладает такой богатой переферией как Arduino Mega. Еще планирую сделать учет электроэнергии через датчики тока и подключение Rotary Encoder на вход.
Также, полезно было бы сделать конфигурирование и запуск контроллера более User Friendly (визуальные конфигураторы и пр.). При этом, сознательно не хочется превращать контроллер в вебсервер с файлами/картинками, AJAX и пр. На мой взгляд, это уже должно являться прерогативой сервера. Хотя бы на основе Raspberry.
Но поскольку проект абсолютно Опенсорсный - возможны разные варианты, присоединяйтесь.
Также, с нетерпением ожидаю ваших отзывов.
UPDATE:
После публикации статьи, объединив усилия вместе с одним из жителей Хабра и нарисовав принципиальную схему LighthHub Shield, приступили к разводке печатной платы, с учетом всего осмысленного опыта и комментариев- Плата будет совместима как с Arduino Mega (5v) так и с Arduino DUE (ARM 3,3В)
- Встроенный интерфейс Ethernet на базе Wiznet5500
- 8 опторазвязанных дискретных входов, 8 дискретных входов/выходов с защитой по напряжению/току
- 8 аналоговых входов с защитой по напряжению/току. В дальнейшем, предполагаю использовать аналоговые входы для контроля потребляемой мощности (датчики тока) и для того, чтобы подключать внешние потенциометры (диммеры)
- 8 ШИМ выходов, 4 из них с мощными выходными ключами (до 500 мА/50В) + 4 дискретных мощных выхода. Позволят подключить локально к контроллеру, например, несколько пускателей или даже не сильно длинную RGBW LED ленту.
- Разьем формата UEXT , который позволит, впоследствии, подключить к контроллеру совместимую переферию - например дополнительные радиомодули, для соединения с беспроводными устройствами.
- Остальные входы/выходы будут выведены без защит на разъемы RJ45 для подключения локальных устройств (релейные платы, ЦАП и пр)
- 1-wire
- dmx-512
- dmx
- Node-Red
- modbus
- iot
Мир не стоит на месте. Техника проникает в жизнь людей. С каждым днём все сложнее представить себе повседневность без электроники. И если раньше все это было доступно только состоятельным людям, то теперь техника находится в каждом доме и делает жизнь проще и интересней.
К слову, сейчас любой человек, обладая базовыми знаниями, может собрать самостоятельно любое приспособление, которое в будущем может стать полезным в повседневной жизни. Интернет полон тематических сайтов и форумов, фото и видео мастер-классов, советов и инструкций. Вот так и создаются устройства, которые способствуют более лёгкой и приятной жизни. Если дом или квартира оснащена специальными датчиками, которые считывают ту или иную информацию и выполняют определённые функции, такой дом можно назвать «умным».
«Умный» дом - что это?
Возможно, в фантастических фильмах о будущем, многие уже встречали подобное строение. Красивая просторная квартира, в которой все автоматизировано. Компьютер будит семью по утрам, готовит завтраки, занимается стиркой и глажкой одежды, а также поддерживает чистоту в дому. Проще говоря - исполняет роль горничной-повара и даже больше.
В реальности все, конечно, не так волшебно и красочно. Нынешние машины и компьютеры ещё не достигли такого уровня развития. Поэтому функции современного «умного» дома ограничены. К примеру, датчики могут контролировать:
- Включение-выключение света.
- Расход энергии.
- Температуру.
- Влажность в доме.
Профессиональных компаний, которые занимаются строительством и обустройством «умных» домов, очень мало. К тому же их слуги довольно дорогие и по карману только узкому кругу потребителей. Но, это вовсе не повод отказывать себе в обустройстве комфортной жизни в собственном доме. Ведь можно сделать «умный дом» своими руками.
Технология сборки
«Умный дом» - это всего лишь контроллеры с датчиками , основной целью которых является считывание информации и, исходя из этого, выполнение соответствующих команд. К примеру, контроль температуры в помещении. Если в комнате температура падает ниже ранее установленного уровня, то система автоматически включает обогрев комнаты. Это только один из примеров функций «умного дома». Подобные контрольные датчики установлены по всему дому и выполняют самые разнообразные функции.
Итак, как сделать свой дом «умным»? Что для этого нужно? Для начала нужно заняться закупкой необходимых контроллеров , которые будет необходимо запрограммировать и наладить. На первый взгляд все достаточно просто, но на самом деле могут возникнуть проблемы с эксплуатацией самой системы, для сборки и управления которой необходимы определённые знания. Поэтому компания Arduino постаралась максимально упростить свою систему, с которой может справиться даже ребёнок.
Что такое система Arduino ?
Система компании Arduino – это платформа для разработки собственных программ комфорта. Система легка в управлении и редко даёт сбои или выходит из строя. Система Arduino имеет открытый исходный код и возможность подключения при помощи USB-кабеля. Изначально система имеет набор программ, установленных по умолчанию, но благодаря открытому типу исходного кода, можно инсталлировать собственные разработки.
Принцип работы Arduino
Как же работает система Arduino? Очень просто. Установленные по всему дому или квартире датчики считывают информацию об окружающей среде и передают все данные на компьютер , который самостоятельно принимает решения. Функционировать эта система может на компьютере, ноутбуке, планшете или даже телефоне. Все программы для ардуино можно найти в свободном доступе. Все «железо» производитель делает максимально стандартизированным под системные разъёмы.
Функции системы Arduino
Система ардуино для проекта «умного дома» должна выполнять следующие функции:
Несмотря на набор разнообразных функций, существуют несколько важных причин , отталкиваясь от которых потребители отдают своё предпочтение именно Arduino.
Преимущества
- Цена.
- Качество.
- Удобство.
- Простота монтажа и проекта в целом.
- Низкая стоимость в случае поломки или выхода из строя отдельных комплектующих.
- Доступность программного обеспечения.
